地質(zhì)雷達在工程勘探和檢測中的應用

1、地質(zhì)雷達在工程勘探和檢測中的應用張 山(中國石化石油勘探開發(fā)研究院石油物探研究所 210014 )自九十年代中期，我們先后采用進口和國產(chǎn)地質(zhì)雷達進行工程勘探和檢測效勞，并自行研制開發(fā)了一系列處理解釋方法和軟件，經(jīng)多年實驗和實踐，積累了一定的經(jīng)驗，現(xiàn)將我們在工程勘探和檢測方面的應用情況介紹如下。一、地質(zhì)雷達的根本原理向地下介質(zhì)發(fā)射一定強度的高頻電磁脈沖幾十兆赫茲至上千兆赫茲，電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時即產(chǎn)生反射或散射，地質(zhì)雷達接收并記錄這些信號，再通過進一步的信號處理和解釋即可了解地下介質(zhì)的情況。從物探角度來講，地質(zhì)雷達信號的處理和解釋在方法上與眾所周知的反射地震法大體相同，只是它所涉及

2、的波型和物性不同。相對于地質(zhì)雷達所用的高頻電磁脈沖而言，通常工程勘探和檢測中所遇到的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)。在這類介質(zhì)中，反射系數(shù)和波速主要取決于介電常數(shù)式中：“為反射系數(shù)，“為速度，“為相對介電常數(shù)，“為光速常數(shù)，下角標“1、2”分別表示上、下介質(zhì)?？諝獾南鄬殡姵?shù)為1，最小；水的相對介電常數(shù)為81，最大；水泥及巖石的相對介電常數(shù)為幾到十幾。在工程勘探中有時還可能遇到象鋼筋這樣的以傳導電流為主的高損耗介質(zhì)。在這種介質(zhì)中電磁波是不能傳播的，電磁波能量根本上全在其外表被反射回去。由上可知，對于空氣與探測介質(zhì)間的阻抗差而言，電磁波遠遠小于聲波；因此，可將地質(zhì)雷達天線制成車載式空氣耦合

3、天線，從而使其成為比超聲波更為高效的探測工具。二、地質(zhì)雷達在公路檢測中的應用1、檢測公路面層厚度目前，公路部門檢測面層厚度的標準方法是按一定頻度隨機取芯，一般為每公里每車道5個。我們所做的計算機模擬研究說明，按這一頻度隨機取芯無法對面層厚度做出客觀的總體評價，只有當取芯頻度到達每公里70個以上時，其評價才是可靠的。但這樣的取芯頻度將招致對面層的嚴重破壞，是不現(xiàn)實的。而地質(zhì)雷達的連續(xù)無損檢測卻能很好地克服這一矛盾。地質(zhì)雷達檢測面層厚度的關健在于精度。而提高精度的關健在于高精度的自動層位拾取和準確的波速提取。經(jīng)過努力，我們成功地解決了這些問題?，F(xiàn)在瀝青砼面層厚度的檢測精度一般小于3mm，個別情況到

4、達5mm左右。檢測結果分別以直觀的圖形方式和公路界貫用的表格方式提供應用戶。Scans圖1、典型的瀝青面層剖面瀝青上面層瀝青下面層瀝青中面層地面基層在公路建設中，高精度、高密度的厚度數(shù)據(jù)不但能準確計算工程用料，杜絕偷工減料行為；而且還能為技術人員適時調(diào)整上覆層的設計厚度提供可靠依據(jù)，以保證總厚度到達設計要求。表1為安新高速公路上的精度試驗結果。圖1為典型的瀝青砼剖面。表一.編號樣點位置雷達檢測結果(cm)芯樣實際厚度(cm)誤差(cm)1K55+460.59.869.62+0.242K55+692.011.6811.83-0.153K55+832.512.4512.60-0.154K55+90

5、0.5標定用芯樣12.205K55+983.511.5911.60-0.016K56+043.012.6312.65-0.022、檢測瀝青砼層間粘結情況瀝青砼面層通常都是分23層輔設的。層間是否密實即粘結好壞直接關系到路面在使用過程中是否會發(fā)生上覆層剝離。目前公路界有關層間密實的問題尚無有效的檢測手段，只能通過個別鉆孔芯樣進行分析。地質(zhì)雷達那么能較好地解決這一問題。從物探的角度來講，上、下瀝青砼間的電性差相當小，因此，如果上、下層粘結密實，那么層間電磁波反射非常弱；反之，假設層間粘結不密實，那么實際上在層間形成了一個孔隙度較高的過度帶，從而使層間反射明顯增強。因此，分析層間電磁波反射信號的強弱

6、即可定性甚至半定量地評詁上、下層間的粘結情況。Scans基層瀝青中面層瀝青下面層地面M圖2、說明瀝青層間粘結情況的剖面201401601圖2為某高速公路中、下面層的一個地質(zhì)雷達短剖面。由圖可見，M點左側層間反射很弱，說明層間粘結密實；而M點右側層間反射增強，說明層間粘結不好。兩側鉆孔芯樣證實了上述結論的正確性。3、檢測水泥砼面層與穩(wěn)定基層間的脫空因根底處理不當，剛性路面下部常會出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象。假設不及時處理就會造成斷板，增加路面養(yǎng)護的難度和本錢。從地球物理的角度來講，脫空實際上就是在面層和基層介質(zhì)之間形成了一個薄夾層。從物性上來講，夾層有兩種類型：假設夾層為空氣，那么為低速層中的高速夾層；假

7、設夾層充水，那么為高速層中的低速夾層。無論哪種類型，都會引起明顯的強反射，只是極性不同。因此，假設在預期出現(xiàn)層間反射的部位出現(xiàn)明顯的強反射，那么根本可判定為面層與基層脫空。根據(jù)振幅與脫空間距的關系做進一步分析，那么可進一步估算脫空距離。圖3為某一級公路上所做的一段地質(zhì)雷達剖面，在A、B、C三處強反射部位鉆孔取芯，均發(fā)現(xiàn)面層與基層有明顯的脫空，脫空距離為0.30.8cm。這一技術不僅可用于日常公路養(yǎng)護，也可用于老的剛性路面改造工程。Scans圖3、有脫空現(xiàn)象的水泥砼剖面ABC地面水泥砼層穩(wěn)定層三、地質(zhì)雷達在根底檢測和加固工程中的應用圖4、某機場跑道灌漿效果剖面Scans6014012011M由于

8、地下水的長期作用，有些重要設施如機場跑道的地基會發(fā)生局部空洞或較大范圍的孔隙帶，從而嚴重危脅這些設施的平安使用。地質(zhì)雷達不但能在無損的前提下檢測到這些空洞或孔隙帶，指導灌漿加固工程，而且還能檢測加固效果。在虹橋機場和黃山機場等根底加固過程中，地質(zhì)雷達發(fā)揮了重要作用。圖4為某機場的一段地質(zhì)雷達剖面，M點右側為末灌漿局部，面層以下的根底局部存在明顯的強能量的雜亂反射帶，而基層與底基層間沒有明顯的反射界面，這是基層內(nèi)部存在嚴重孔隙帶的明顯特征；M點左側為已灌漿局部，其面貌與右側截然不同，基層內(nèi)部的雜亂反射根本消失，基層與底基層之間形成了比擬穩(wěn)定的反射界面，面層與基層的反射也有所增強，說明經(jīng)過灌漿后基

9、層中的碎石與水泥漿形成了一個無孔隙的整體，完全到達了灌漿的預期目的。四、地質(zhì)雷達在探測水壩隱患中的償試由于空氣與水對電磁波的特殊性，理論上地質(zhì)雷達能夠發(fā)現(xiàn)諸如水壩裂縫、蟻穴、管涌通道等多種水壩隱患。為此，我們參加了98年3月國家防總在湖南益陽進行的水壩隱患探查測評會。會議主辦單位事先在一條廢壩上模擬埋置了各種水壩隱患，要求各參測單位在不知情的情況下快速測出隱患的位置和深度。因壩體內(nèi)部的真實情況至今仍對外保密，所以我們?nèi)圆恢赖刭|(zhì)雷達異常與壩體隱患的詳細對應關系，但主辦單位的反應信息說明：我們所提供的異常位置均對應著壩體隱患；我們找到了80%的壩體隱患。圖5為局部異常剖面。Scans圖5、水壩壩

10、體內(nèi)隱患剖面利用地質(zhì)雷達探測壩體隱患尚處探索階段。上述試驗只是針對模擬隱患，無論是隱患本身還是探測條件都較實際情況理想。對地質(zhì)雷達而言，在壩體隱患探測方面最大的困難在于穿透能力缺乏尤其在雨季和地表干擾難以防止。五、地質(zhì)雷達在水泥砼構件檢測中的應用地質(zhì)雷達用在水泥砼構件檢測上主要有兩個方面，一是砼內(nèi)部缺陷的檢測；二是砼內(nèi)部鋼筋密度的檢測。因其對耦合條件要求不嚴，所以它比常用的超聲法更為方便、可靠。圖6為一水泥砼板的地質(zhì)雷達剖面，其上鋼筋分布情況清晰可見。值得指出的是，其上亮點大小并不簡單地對應鋼筋的粗細。要評估鋼筋的直徑，還須經(jīng)過大量的模型實驗，以確定反射強度與鋼筋直徑的關系。圖6、水泥砼板內(nèi)鋼筋影像圖鋼筋水泥砼板外表六、結論地質(zhì)雷達與反射地震法非常相似，所不同的只是波型及其所涉及的物性。前者為高頻電磁波和物質(zhì)的電磁特性，后者為彈性波和物質(zhì)的彈性特性。地質(zhì)雷達在數(shù)據(jù)處理和解釋方面大量借鑒了反射地震中成熟的方法。根據(jù)地質(zhì)雷達剖面上目標層體的反射波時間延遲、波形特征以及剖面的宏觀和微觀形態(tài)組合，可以解決大局部工程勘探和檢測問題，